PWM加相移复合控制的工作原理及在变换器控制上的应用研究

引言

双向DC/DC变换器可广泛应用于直流不停电电源系统、航灭电源系统、电动汽车等应用场合。传统的相移控制双向DC/DC变换器不需要辅助开关就可以实现ZVS软开关。当输入电压和输出电压的幅值不匹配时，相移控制双向DC/DC变换器有较大的电流应力而且软开关范围会减小。PWM加相移复合控制双向DC/DC变换器解决了上述问题。

1、PWM加相移复合控制的工作原理

图l是相移控制的双向DC／DC变换器。在隔离变压器两侧各有两个开关。开关S1（S3）和S2（S4）是互补工作的，占空比是0．5，电感L1是能量传输器件。图2是相移控制的概念图。图4（a）是当等效输入电压vab幅值等于等效输出电压Vcd幅值，即V1/2=nV2，n=Np：Ns是变压器变比时相移控制的原理波形图。当等效输入电压vab幅值不等于等效输出电压vcd幅值时，图4（b）是V1/2《nV2时相移控制的原理波形图。当等效输入电压vab幅值不等于等效输出电压vcd幅值时，变换器的电流应力和电流有效值变大，变换器传递无功也增大，这些都增大了变换器的电流应力和通态损耗。图3是PWM加相移复合控制双向DC/DC变换器的概念图。占空比的PWM控制相当于在等效输入电压vab和等效输出电压vcd加入了一个电子变压器。图4（c）是PWM加相移复合控制双向DC／DC变换器的波形图。与相移控制相比，PWM加相移复合控制可以减小变换器的电流应力和电流有效值，因此变换器的效率可以有所提高。本文提出了5 kW PWM加相移复合控制双向DC／DC变换器的优化没计和控制方法。基于开关损耗模型，不同开关MOSFET或IGBT和不同输入电压等级42V或380V的威廉希尔官方网站 方案可以比较。具有最小开关损耗的威廉希尔官方网站 方案可以提出。根据威廉希尔官方网站 的工作原理，一种新的控制方案可以实现PWM加相移的复合控制。

2、变换器的开关损耗分析

PWM加相移复合控制双向DC／DC变换器如图1所示，开关S1（S3）和S2（S4）是互补工作，S1的占空比等于S3的占空比，即D=nV2/V1，S2的占空比等于S4的占空比。当输入电压和输出电压改变时，占空比也随之改变。当S1（S2）的驱动脉冲领先于S3（S4）的驱动脉冲，变换器工作于正向模式，能量由V1流向V2。当S1（S2）的驱动脉冲落后于S3（S4），变换器工作于反向模式，能量V2流向V1。L1是变压器漏感和外串小电感之和，是能量传输器件。图5是一个开关周期中，正向模式工作下的关键波形。

为了设计最小开关损耗的PWM加相移复合控制双向DC／DC变换器，本文分析了基于不同器件MOSFET或IGBT，不同输入电压等级42V或380V的开关损耗。

在图6中，vgs1是开关S1的驱动脉冲，vds1是开关S1漏源电压，vD1是S1反并联二极管的电压波形，iS1是开关S1的电流波形，iD1是开关S1反并联二极管的电流波形。TD1on为S1体内二极管的导通时间。tdead12为S1和S2间的死区时间。变换器的所有开关可以工作在ZVS下，开通损耗可以忽略。开关的损耗包括通态损耗和关断损耗。通态损耗由反并联二极管的通态损耗PD1和主开关的通态损耗PS1on组成。当开关关断时，假设开关的并联电容被恒定的电感电流线性充放电，开关的端电压线性下降。以开关S1是MOSFET情况为例，计算其通态损耗和关断损耗。

S1的导通时间是tc到t1，其等效电阻为RS1。通态损耗是电流流过其通态电阻产生的损耗。

S1反并联二极管的导通时间是tb到tc，其通态损耗是电压和电流的积分，可按式（2）计算。

S1在t1时刻关断，到了t2时刻电流下降到O。关断损耗足电压和电流的积分，可按式（3）计算。

设定仿真参数：开关频率f=100 kHz，移相角φ=45°，占空比D=nV2/V1=O.5。输出功率Pout=5kW。表1给出了4种不同器件和不同输入电压等级的威廉希尔官方网站 设计方案。

如图7所示为变换器工作在（5kW）正向模式下，4种威廉希尔官方网站 设计方案的效率比较和正向输出5kW时各个开关的损耗直方图。损耗直方图从左到右依次为开关S1、S2、S3、S4的通态损耗、关断损耗、总损耗。

由此可以看出，器件的通态损耗是主要的，不同的器件和不同输入电压等级构成的威廉希尔官方网站 设计方案对效率有很大影响。开关损耗最小的是威廉希尔官方网站 A和威廉希尔官方网站 D。但是威廉希尔官方网站 D中，开关损耗主要由S4组成，开关S4的损耗在5kW达到了150W，这对于开关S4的热没计带来很大问题。与之相比，威廉希尔官方网站 A中，开关损耗主要由S1和S2平均组成，这对威廉希尔官方网站 的工作是有利的。因此威廉希尔官方网站 设计方案A是优化的。

3、双向DC／DC变换器的控制框图

根据变换器的原理，本文提出了一种新的控制方案，如图8所示。威廉希尔官方网站 的正向和反向工作方式由正向/反向控制信号控制两个复用器（MUX）切换。当威廉希尔官方网站 正向工作时，反馈电压电流分别是输出电压和输出电流。电压外环经过PI后作为电流的参考，电流内环的误差经过PI后调节威廉希尔官方网站 的移相角。威廉希尔官方网站 的占空比由输入电压和输出电压经过运算，即D=nV2/V1得到。

4、 结语

本文分析了不同器件和输入电压对威廉希尔官方网站 效率的影响。分析表明，Sl和S2用MOSFET，S3和S4用IGBT，低压42V放在输入侧是优化的方案。本文提出了一种新的控制方法，可以同时调节威廉希尔官方网站 的占空比和移相角。

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